本發(fā)明涉及一種小麥自然水分虧缺干旱評(píng)估模型的gis建模方法，屬于農(nóng)業(yè)災(zāi)害評(píng)估的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物之一，小麥干旱災(zāi)害嚴(yán)重影響我國(guó)糧食安全，對(duì)小麥干旱的評(píng)估顯得尤為重要。

自然水分虧缺率模型為作物自然供水量與需水量的差值占需水量的百分比，較好地反映了土壤、植物和氣象三方面因素的綜合影響，比較真實(shí)地反映出作物水分虧缺狀況，是常用的作物干旱診斷方法之一。計(jì)算過(guò)程如下：

式中，e為小麥全生育期的需水量，w為小麥全生育期的自然供水量；單位均為mm。

e＝kc×et0(2)

式中，kc為作物系數(shù)，小麥全生育期kc取1.04；et0為可能蒸(mm),采用fao(1998)推薦的penman-monteith公式求得。

式中：et0為參考作物蒸散量(mm/d)；rn為凈輻射[mj/(m2·d)]；g為土壤熱通量[mj/(m2·d)]，當(dāng)計(jì)算時(shí)段在10～30d時(shí)，日平均土壤熱通量值很小，可忽略不計(jì)；而在逐日或長(zhǎng)期估算時(shí)，g值通常很重要；u2為2m高處風(fēng)速(m·s-1)；δ為飽和水氣壓溫度關(guān)系曲線(xiàn)上在ta處的切線(xiàn)斜率(kpa/℃)；γ為干濕表常數(shù)(kpa/℃)；ta為日平均氣溫(℃)；ea為飽和水氣壓(kpa)；eb為實(shí)際水氣壓(kpa)。

小麥自然供水量(w)包括三部分：①小麥的土壤有效底墑(w1)；②小麥全生育期內(nèi)的有效降水量(w2)；③地下水供水量(w3)。計(jì)算公式為：

w＝w1+w2+w3(4)

w1＝(wt-wd)×ρ×h×0.1(5)

式中，w1為小麥播種前的土壤有效底墑量，單位為mm；wt為小麥播種前的實(shí)際土壤濕度，單位為％；wd為凋萎濕度，取值6.5，單位為％；ρ為土壤容重1.44，單位為g/cm3；h為土層厚度，單位為cm；0.1為單位換算系數(shù)。

w2＝p(6)

其中p為實(shí)際降水量，單位為毫米(mm)。

在實(shí)際計(jì)算小麥供水量中，地下水供水量w3可忽略不計(jì)。

模型構(gòu)造器(modelbuilder)是arcgis提供的構(gòu)造地理分析和處理工作流和腳本的圖形化數(shù)據(jù)建模工具。modelbuilder由輸入數(shù)據(jù)、空間處理工具和輸出數(shù)據(jù)等3個(gè)基本結(jié)構(gòu)組成。

空間插值方法，即通過(guò)已獲取的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的規(guī)律，外推或內(nèi)插到整個(gè)研究區(qū)域?yàn)槊鏀?shù)據(jù)的方法。

柵格計(jì)算器是建立復(fù)雜的應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的基本模塊，基于數(shù)學(xué)運(yùn)算符以及數(shù)學(xué)函數(shù)將數(shù)值連續(xù)的空間柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到所需要的空間柵格數(shù)據(jù)。

自然水分虧缺率模型涉及較多的數(shù)據(jù)和大量復(fù)雜的公式，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中存在易出錯(cuò)、效率低等弊端。本文將該模型與gis相結(jié)合，逐步分塊建立基于gis的小麥自然水分虧缺干旱評(píng)估模型，從而改善原數(shù)學(xué)模型的缺點(diǎn)，提高模型的使用效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種便于使用者理解，提高模型使用效率的小麥自然水分虧缺干旱評(píng)估模型的gis建模方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種小麥自然水分虧缺干旱評(píng)估模型的gis建模方法，包括以下步驟：

步驟一：首先將自然水分虧缺率模型分成2個(gè)部分：小麥全生育期的需水量e和小麥全生育期的自然供水量w。再將小麥全生育期的需水量e公式中的小麥可能蒸散量et0分為8個(gè)部分。

步驟二：選取研究區(qū)一段時(shí)間的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與土壤墑情報(bào)表，在modelbuilder建模平臺(tái)上采用反距離加權(quán)插值工具將點(diǎn)數(shù)據(jù)處理為數(shù)值連續(xù)的空間柵格數(shù)據(jù)。

步驟三：利用柵格計(jì)算器對(duì)小麥可能蒸散量et0中的變量進(jìn)行疊加分析，分別建模，包括飽和水氣壓溫度關(guān)系曲線(xiàn)上在ta處的切線(xiàn)斜率δ、濕表常數(shù)γ、土壤熱通量g、2m高處風(fēng)速u(mài)2、飽和水氣壓es、日平均氣溫ta、實(shí)際水氣壓ea以及凈輻射rn的建模。

步驟四：根據(jù)步驟三中已經(jīng)建立的模型，同樣利用modelbuilder中的柵格計(jì)算器對(duì)小麥可能蒸散量et0進(jìn)行建模，并利用小麥可能蒸散量et0模型對(duì)小麥全生育期需水量e進(jìn)行建模。

步驟五：采用modelbuilder中的柵格計(jì)算器分別對(duì)小麥的土壤有效底墑w1、小麥全生育期內(nèi)的有效降水量w2及地下水供水量w3進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)麥全生育期的自然供水量w進(jìn)行建模。

步驟六：結(jié)合步驟四和步驟五中已經(jīng)建立的小麥全生育期需水量e模型和小麥全生育期的自然供水量w模型，建立小麥生育階段的自然水分虧缺率g模型。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明方法將自然水分虧缺率模型中的公式合理化分解，將該數(shù)學(xué)模型與gis相結(jié)合，并分別建模，最后組成完整的gis模型，啟動(dòng)模型后即可自動(dòng)完成復(fù)雜的空間計(jì)算過(guò)程。該方法將復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖憧旖莸膅is柵格計(jì)算，便于讀者理解整個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算過(guò)程的自動(dòng)化、一體化、空間可視化，同時(shí)模型邏輯關(guān)系清晰，便于數(shù)據(jù)修改維護(hù)。

附圖說(shuō)明

圖1：研究區(qū)情況圖；

圖2：原始數(shù)據(jù)插值結(jié)果圖；

圖3：飽和水氣壓溫度關(guān)系曲線(xiàn)上在ta處的切線(xiàn)斜率δ建模圖；

圖4：干濕表常數(shù)γ建模圖；

圖5：2m高處風(fēng)速u(mài)2建模圖；

圖6：飽和水氣壓es的建模圖；

圖7：實(shí)際水氣壓ea的建模圖；

圖8：凈輻射rn的建模圖；

圖9：可能蒸散量et0的建模圖；

圖10：全生育期需水量e的建模圖；

圖11：全生育期的自然供水量w的建模圖；

圖12：小麥生育階段的自然水分虧缺率g的建模圖；

圖13：睢陽(yáng)區(qū)2013年10月6日和2013年10月7日小麥干旱評(píng)估圖；

圖14：方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，選取河南省商丘市睢陽(yáng)區(qū)7個(gè)站點(diǎn)的2013年10月6日和2013年10月7日的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)(由a文件轉(zhuǎn)換)與土壤墑情報(bào)表。氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)包括日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和降水量。下面表1為站點(diǎn)基本信息表，表2為站點(diǎn)氣象要素表。

表1

表2

(1)如圖2所示，采用arcgis軟件的空間插值方法將點(diǎn)數(shù)據(jù)處理為數(shù)值連續(xù)的空間柵格數(shù)據(jù)。

(2)如圖3-圖9所示，對(duì)小麥可能蒸散量et0進(jìn)行建模：小麥可能蒸散量et0是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算公式，為了便于理解，先對(duì)公式中的變量一一建模，最終再對(duì)et0建模。

(3)如圖10所示，根據(jù)公式和上述已經(jīng)建立的模型對(duì)小麥全生育期需水量e進(jìn)行建模。

(4)如圖11所示，利用arcgis中的modelbuilder對(duì)小麥全生育期的自然供水量w進(jìn)行建模。

(5)如圖12所示，根據(jù)已經(jīng)建立的全生育期需水量e的模型和全生育期的自然供水量w的模型，建立完整的自然水分虧缺率g的模型。

(6)如圖13所示，設(shè)置好數(shù)據(jù)路徑，啟動(dòng)模型后完成小麥自然水分虧缺干旱評(píng)估計(jì)算，并利用裁切功能得到干旱評(píng)估結(jié)果圖。

如圖14為本發(fā)明小麥自然水分虧缺干旱評(píng)估模型的gis建模方法流程圖。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。